Solución de Interruptor Híbrido de Corriente Directa de Alta Tensión de Tipo Rectificador

I. Antecedentes del proyecto y análisis de requisitos​
Con el avance profundo de la transición energética, la tecnología de transmisión DC flexible basada en convertidores de fuente de voltaje (VSC) se ha convertido en una solución clave para la integración a gran escala de energías renovables y para mejorar las capacidades de transmisión de energía a larga distancia, gracias a sus ventajas como el control independiente de la potencia activa y reactiva y el bajo contenido armónico. La construcción de redes DC flexibles es una tendencia inevitable. En este contexto, los interruptores de circuito de corriente continua de alta tensión, como dispositivos de protección principales para la aislación rápida de fallas y garantizar la seguridad y estabilidad de la red, son críticamente importantes. Sin interruptores de circuito de corriente continua de alto rendimiento, la flexibilidad operativa y la confiabilidad del suministro de energía de las redes DC flexibles estarían severamente limitadas.

Las tecnologías actuales de interruptores de circuito de corriente continua de alta tensión tienen limitaciones significativas:

• ​Interruptores mecánicos: Aunque ofrecen bajas pérdidas en estado de conducción y alta tensión soportable, su tiempo de interrupción es de decenas de milisegundos, no cumpliendo con el estricto requisito de aislación rápida de fallas a nivel de milisegundos en redes DC flexibles.
• ​Interruptores de estado sólido total: Basados en dispositivos semiconductores, proporcionan una interrupción extremadamente rápida, pero sufren de pérdidas excesivas en estado de conducción, altos costos operativos y baja eficiencia económica.
• ​Interruptores híbridos tradicionales: Aunque combinan las bajas pérdidas de los interruptores mecánicos y la interrupción rápida de los interruptores de estado sólido, su topología requiere IGBT conectados en serie en ambas direcciones, lo que resulta en un bajo uso de los dispositivos, complejidad del sistema y altos costos.

Para abordar estos cuellos de botella técnicos, existe una necesidad urgente de una nueva solución de interruptor de circuito de corriente continua que combine la capacidad de interrupción rápida, bajas pérdidas operativas, alta eficiencia económica y alta confiabilidad.

​II. Solución: Interruptor de circuito de corriente continua de alta tensión híbrido tipo rectificador​
Esta solución propone una topología innovadora de interruptor de circuito de corriente continua de alta tensión híbrido tipo rectificador, abordando fundamentalmente las limitaciones de las tecnologías existentes.

​​(I) Tecnología central: Topología de circuito innovadora​
La topología de este interruptor de circuito consiste en una rama de conducción de corriente y una rama de interrupción de corriente conectadas en paralelo.

1. ​Rama de conducción de corriente:
• ​Composición: Comprende un interruptor mecánico de alta velocidad (S1) y un grupo de válvulas de conducción de corriente (Q1) conectados en serie.
• ​Características: S1 tiene una resistencia de contacto extremadamente baja (solo decenas de micro-ohmios), y Q1 consta de un pequeño número de IGBT con un bajo caída de tensión de conducción. Durante la operación normal, la corriente nominal fluye a través de esta rama, asegurando pérdidas extremadamente bajas en estado de conducción.
2. ​Rama de interrupción de corriente:
• ​Composición: Utiliza una estructura de rectificador puente, compuesta por un grupo de válvulas de conmutación puente (D1-D4, formado por múltiples diodos conectados en serie), un grupo de válvulas de interrupción unidireccional (Q2, formado por múltiples IGBT conectados en serie) y un resistor no lineal (MOV1, pararrayos).
• ​Ventaja principal: La estructura de rectificador puente logra astutamente la conmutación de corriente, permitiendo que el grupo de válvulas de interrupción unidireccional (Q2) interrumpa corrientes de falla DC bidireccionales. En comparación con las topologías híbridas tradicionales, el número de IGBT se reduce aproximadamente a la mitad. Dado que los IGBT comerciales de tipo press-pack cuestan alrededor de 10 veces más que los diodos de la misma calificación, y la reducción de IGBT también disminuye el número de placas de control asociadas, esta topología logra una reducción significativa de costos y una mejora general de la confiabilidad.

​​(II) Principio de interrupción eficiente​
Tomando como ejemplo la corriente que fluye desde el Puerto 1 al Puerto 2, el proceso de interrupción consta de cuatro etapas:

1. ​Etapa 1 (t0–t1, Ocurrimiento de la falla)​: Ocurre una falla de cortocircuito en la línea, causando un aumento brusco de la corriente. En este momento, S1 y Q1 están conduciendo, Q2 está apagado, y la corriente de falla fluye completamente a través de la rama de conducción de corriente.
2. ​Etapa 2 (t1–t2, Transferencia de corriente)​: El sistema de control emite un comando de apertura, encendiendo Q2 y apagando Q1. La conducción de Q2 genera una tensión de conmutación en el brazo del puente, forzando la transferencia de la corriente de la rama de conducción de corriente a la rama de interrupción de corriente (ruta: D1 → Q2 → D4).
3. ​Etapa 3 (t2–t3, Interrupción del interruptor mecánico)​: Después de que la corriente en la rama de conducción de corriente se transfiere completamente, el interruptor mecánico de alta velocidad S1 interrumpe en condiciones de corriente cero y tensión cero sin arco, estableciendo la fuerza aislante.
4. ​Etapa 4 (t3–t4, Limpieza de la corriente de falla)​: Después de que S1 se interrumpe completamente, Q2 se apaga. La apagada de Q2 genera un sobretensión transitoria a través del interruptor de circuito, desencadenando la conducción de MOV1 y desviando la corriente de falla hacia MOV1 para su disipación hasta que la energía se agota, la corriente cae a cero y se completa la aislación de la falla.

El principio de interrupción para la corriente inversa es el mismo, guiado por el puente de diodos (D2, D3) para fluir a través de Q2.

​​(III) Estrategia de control inteligente​

1. ​Estrategia de control pre-interrupción:
• ​Objetivo: Superar el cuello de botella de la alta proporción del tiempo de apertura del interruptor mecánico de alta velocidad (aproximadamente 2 ms), acortar el tiempo total de interrupción y suprimir la corriente de falla pico.
• ​Lógica: Mediante la monitorización en tiempo real de la tensión del bus, la tensión de la línea y la corriente de la línea (un total de 6 criterios, como se muestra en la Tabla 1), una vez que se activa cualquier criterio anormal, se inicia la operación pre-interrupción anticipadamente (transferencia de corriente a la rama de interrupción de corriente y apertura de S1). Si se recibe posteriormente un comando de apertura formal, se completa la interrupción; si es una falsa alarma, la corriente se transfiere de vuelta a la rama de conducción de corriente para reanudar la operación normal.
• ​Efecto: Las simulaciones muestran que esta estrategia puede suprimir la corriente de falla de 25 kA a 17 kA, con el tiempo total de interrupción estabilizado dentro de 3 ms.

​Tabla 1: Criterios de activación pre-interrupción​

1. ​Estrategia de control de cierre suave:
• ​Objetivo: Abordar los problemas potenciales de sobretensión y oscilación del sistema en el momento del cierre, sin la necesidad de resistencias y interruptores adicionales, ahorrando costos y espacio.
• ​Lógica: La rama de interrupción de corriente se considera compuesta por múltiples unidades de media tensión conectadas en serie. Durante el cierre, estas unidades de media tensión se encienden secuencialmente y de manera controlada para establecer gradualmente una ruta. Después de cada paso, se realiza una detección de fallas. Si no se detecta ninguna falla, el proceso continúa hasta que todas las unidades están encendidas. Finalmente, se cierra la rama de conducción de corriente y se apaga la rama de interrupción de corriente. Si se detecta una falla durante el proceso, el cierre se aborta inmediatamente.
• ​Aptitud: Adecuada para el cierre normal y el recierre automático después de la limpieza de la falla. Las simulaciones verifican la ausencia de sobretensión o oscilación.

​III. Desarrollo de prototipo y verificación experimental​

​​(I) Parámetros y estructura clave del prototipo​
Se desarrolló un prototipo de ingeniería de interruptor de circuito de 500 kV con los siguientes parámetros clave:

• ​Diseño estructural:
• ​Rama de conducción de corriente: Como lleva corriente durante períodos prolongados, Q1 está equipado con un sistema de refrigeración por agua y colocado en la parte inferior de la torre de válvulas; S1 consta de múltiples interruptores de vacío en serie, accionados por un mecanismo de repulsión electromagnética, y colocado en la parte superior de la torre de válvulas.
• ​Rama de interrupción de corriente: Compuesta por 10 unidades de media tensión de 50 kV conectadas en serie, instaladas en 2 torres de válvulas (5 capas cada una). Q2 adopta un diseño de IGBT doble en paralelo para cumplir con la capacidad de interrupción. Esta rama no lleva corriente durante la operación normal, por lo que no se requiere refrigeración, resultando en un diseño más simplificado.

​​(II) Resultados de verificación experimental​
El prototipo fue sometido a pruebas rigurosas utilizando un circuito experimental equivalente (circuito LC oscilante):

• ​Tiempo de conmutación: El tiempo para la transferencia de corriente de la rama de conducción de corriente a la rama de interrupción de corriente fue < 300 μs.
• ​Tiempo total de interrupción: Desde la recepción del comando de apertura hasta que la corriente comenzó a disminuir, tomó aproximadamente 2.9 ms, cumpliendo con el objetivo de diseño de <3 ms.
• ​Sobretensión transitoria: Se generó una sobretensión instantánea de aproximadamente 800 kV durante la interrupción, consistente con el nivel de protección MOV, controlada y segura.
• ​Conclusión: Los experimentos verificaron con éxito la factibilidad, efectividad y excelente rendimiento de la topología de interruptor de circuito de corriente continua de alta tensión híbrido tipo rectificador.

​IV. Conclusiones principales:

1. La topología híbrida tipo rectificador propuesta en esta solución utiliza un diseño innovador con un puente de diodos para lograr el control de corriente bidireccional, reduciendo el uso de IGBT en aproximadamente un 50% en comparación con las soluciones tradicionales, ofreciendo ventajas significativas en eficiencia económica y confiabilidad.
2. Las estrategias de control inteligente pre-interrupción y de cierre suave abordan eficazmente los problemas de retardo en la acción del interruptor mecánico y el impacto del cierre, mejorando el rendimiento dinámico general del sistema.
3. El desarrollo exitoso y las pruebas del prototipo de ingeniería de 500 kV/25 kA demuestran plenamente la factibilidad de ingeniería y el cumplimiento de rendimiento de este enfoque técnico.